一种复合纤维薄膜的制备方法与流程

本发明涉及一种复合纤维薄膜的制备方法，具体涉及一种贵金属-明胶/丝素蛋白复合纤维薄膜的制备方法。

背景技术：

明胶和丝素蛋白都是具有良好生物相容性和生物降解性的天然高分子材料，虽然明胶廉价易得，但其然机械性能差，材料加工及可纺性不高限制了其应用，而丝素蛋白出色的机械强度正好可以弥补明胶这一缺点。丝素蛋白与明胶复合不仅改善了明胶的力学性能，还提高了丝素蛋白的降解率。但现有的丝素蛋白/明胶复合纤维材料的性能还有待改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复合纤维薄膜的制备方法，本发明可制备贵金属-丝素蛋白/明胶复合纤维薄膜，该复合纤维薄膜具有独特的生物相容性、生物降解性等生物学性能，且具有较高的机械性能、材料加工及可纺性，兼具对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有较好的抑制作用。

为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种复合纤维薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1）配制纺丝液：称取一定量的明胶、丝素蛋白和金属源置于烧杯中，再缓慢滴加甲酸，并于恒温水浴搅拌至烧杯中溶液透明均匀且具有一定黏度，溶液搅拌均匀后静置除泡成为纺丝液；金属源为银源或金源；

2）静电纺丝：吸取一定量的纺丝液转移至一次性医用注射器，选取20#不锈钢针头进行匹配；将注射器固定在静电纺丝仪上，针头作为正极，接收板覆盖铝箔作为负极；通过静电纺丝在接收板上得到一层复合纤维膜；

3）将铝箔从接收板上取下，略微干燥后再将复合纤维膜剥离，复合纤维膜放置在真空干燥箱内整夜以去除多余水分和残留溶剂；

4）将复合纤维膜置于紫外光下光照，使复合纤维膜上的贵金属还原完全，得到贵金属-明胶/丝素蛋白复合纤维薄膜。

优选的，步骤1）中，银源为硝酸银，金源为氯金酸。

优选的，步骤1）中，纺丝液中明胶与丝素蛋白的质量比为1～5:1。

优选的，步骤1）中，纺丝液中贵金属的含量为0.2～0.8wt%。

优选的，步骤1）中，恒温水浴的温度为35℃。

优选的，步骤2）中，纺丝参数如下：正负极电压分别为-7kv和+15kv，推注速度0.2mm/min，针头与接收板间纺丝距离为15cm，针头左右平移距离为10mm、平移速度200mm/s。

优选的，步骤2）中，静电纺丝环境要求在室温，且湿度维持在50%～70%；纺丝时间为8h，之后在接收板上得到一层复合纤维膜。

优选的，步骤2）中，静电纺丝正负极电压差为20～25kv。

优选的，步骤3）中，真空干燥箱的温度为60℃。

优选的，步骤4）中，光照时间为2h，光照过程中保持温度为室温。

本发明以明胶、丝素蛋白等天然大分子为基本载体，通过控制贵金属掺入的量，使最终的产物具有独特的生物相容性、生物降解性等生物学性能，且具有较高的机械性能、材料加工及可纺性，兼具对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有较好的抑制作用。

本发明通过静电纺丝法，以丝素蛋白、明胶为原料，制备明胶/丝素蛋白复合纤维，调控二者的添加比例，探究二者不同配比对纤维的影响。本发明选择最优的明胶/丝素蛋白配比，负载贵金属颗粒制备贵金属–明胶/丝素蛋白复合纤维，调控贵金属的含量，研究贵金属含量对材料抗菌性能及透气性能的影响，最终使复合材料的抗菌性能能够达到99.99%。

本发明通过静电纺丝法，以丝素蛋白和明胶等天然聚合物为纤维载体，以硝酸银作为银源或以氯金酸为金源，制备了在常规条件下具有较好水蒸气透过率和抗菌性能的贵金属-丝素蛋白/明胶复合纤维薄膜。本发明制备的复合纤维薄膜材料可以作为具有良好稳定性、可降解而且制备方法简单安全的新型抗菌纺织品原料，具有广泛的应用前景。

本发明工艺简单灵活，反应无需复杂的设备，所需化学原料种类少，成本低廉，实验可重复性好，有较大的抗菌价值。

附图说明

图1为ag–sf/gt复合纳米纤维的xrd图谱；

图2为ag–sf/gt复合纳米纤维的透射电子电镜图；

图3为ag–sf/gt复合纳米纤维的抗菌效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

为了验证本发明复合材料的水蒸气透过率和抗菌性能，本发明对制得的复合材料进行水蒸气透过实验和抗菌测试。

水蒸气透过率实验条件为：将纤维膜裁剪成圆形覆盖在盛有10mlpbs溶液的25ml棕色玻璃瓶口上用；为了防止水蒸气从试样与瓶口边缘逸出，使用parafilm-m胶密封瓶口边缘；同时，准备同样盛有10mlpbs溶液的25ml棕色玻璃瓶的开放系统作为空白对照；之后分别标记并称量每个瓶子的初始重量；然后将棕色玻璃瓶转移到37℃的恒温烘箱中，同时使用变色硅胶控制烘箱内的湿度维持在相对较低的水平，此过程持续8h；期间，每小时将棕色玻璃瓶称重一次，最终代入相应公式进行计算。

抗菌实验条件为：

1.琼脂平皿扩散法

(1)实验准备及灭菌处理：称取营养琼脂33g，营养肉汤18g，1.36g的kh2po4及7.1g的na2hpo4·12h2o；将琼脂和肉汤分别加入1000ml蒸馏水中，加热煮沸至溶解；将称取的kh2po4及na2hpo4·12h2o溶解至1000ml蒸馏水中配制成磷酸盐(pbs)缓冲液；溶解后的琼脂、肉汤、pbs缓冲液分装至三角烧瓶，密封后备用；另准备适量培养皿若干，将溶液及培养皿转移至高压灭菌锅，升温至121℃灭菌；

(2)细菌的分离与培养：将20ml琼脂倒入培养皿，凝固后用接种环取斜面菌落，利用平板划线法接种至培养皿，划线区域分别标记为i-iv；划线完成后将培养皿倒置，放入37℃恒温培养箱培育24h；

(3)单细胞菌落培养：取培养皿区域iv的单细胞菌落至10～20ml灭菌后的肉汤中，在37℃恒温调速摇瓶柜中培育18～24h；

(4)样品的细菌接触实验：本实验所用待测样品直径为10±2mm；利用比浊法确定带菌肉汤的菌浓度范围，利用pbs缓冲液将带菌肉汤的菌浓度调节至1×108～5×108cfu·ml^-1，作为实验菌液；向培养皿中倒入10ml灭菌琼脂，凝结后倒置备用，作为下层无菌培养基；取45±2℃灭菌琼脂150ml至三角烧瓶，加入1ml实验菌液，振荡烧瓶使细菌分布均匀，向带有下层无菌培养基的培养皿倒入5ml，凝结后倒置；用无菌镊子将样品分别置于培养皿，均匀按压使其与琼脂培养基充分接触，放入37℃恒温培养箱培育24h；

(5)抗菌效果的观察与标定；测量试样的抑菌带宽度，每个试样至少测量3次；测定抑菌带后，用镊子将试样从琼脂培养基上移去，用显微镜检查试样下面接触区域的细菌繁殖情况；根据细菌繁殖的有无和抑菌带的宽度，评价每个试样的抗菌效果。

2.振荡法

(1)菌种培养与工作台灭菌处理工作同琼脂平皿扩散法(1)—(3)；

(2)样品的振荡接触实验；本实验样品规格为1.0±0.05g，试样加入三角烧瓶后高压灭菌，冷却至室温后加入95ml的pbs溶液；利用比浊法确定带菌肉汤的菌浓度范围，利用肉汤及pbs缓冲液将带菌肉汤的菌浓度调节至105cfu·ml^-1，作为实验菌液；

(3)装有试样与95mlpbs溶液的三角烧瓶中分别加入5ml实验菌液；

(4)从空白组烧瓶中取出1ml菌液接种至培养皿中，加入适量琼脂并摇晃均匀凝固后倒置在37℃恒温培养箱中培养，作为“0”接触时间样品；将(3)中的三角烧瓶放入到24℃的振荡器培养18h；

(5)分别取(4)中培养后的菌液1ml接种至培养皿中，加入适量琼脂摇晃均匀，凝固后倒置在37℃恒温培养箱中培养18～24h；

(6)抗菌效果的观察与标定；对培养皿菌落进行计数，“0”接触时间样品与试样至少有两个平行实验。

本发明的具体实施例如下：

实施例1：

分别称取2.000g的明胶、0.17g硝酸银（或者为0.41g氯金酸）和0.666g的丝素蛋白置于烧杯，缓慢滴加5ml的甲酸，在35℃下恒温水浴搅拌至透明均匀且具有一定黏度的溶液，在正负极电压分别为-7kv和+15kv，推注速度0.2mm·min^-1，针头与接收板间纺丝距离为15cm，针头左右平移距离为10mm、平移速度200mm·s^-1的纺丝条件下得到纤维膜。薄膜在60℃真空干燥箱内整夜以去除多余水分和残留溶剂，之后置于紫外光下光照2h，使纤维膜上的贵金属还原完全。并通过水蒸气透过测试和抗菌性能试验对其相关性能进行表征。

图1为ag–sf/gt复合纳米纤维xrd图谱。23°左右的弥散峰是由于sf/gt基底造成的，对应非晶结构的gt和sf有机分子链。由于有机物的存在，整体来说xrd谱图的基底较高，使得无机物的特征峰不明显。在38.12°、44.28°和64.43°的几个特征峰，与面心立方(fcc)结构的ag相(jcpds,no.04-0783)相一致，分别对应(111)、(200)和(220)晶面。在32.79°出现的弱峰与ag2o相(jcpds,no.41-1104)的特征峰一致，对应(111)晶面。这可能是因为并非所有的ag都还原成agnps。银源直接添加到纺丝溶液后，由于甲酸的作用将ag部分还原成ag0，但因为agnps的平均粒径远远小于纤维的平均直径，所以一些未被完全还原的银可能被有机物完全包裹在纤维中。当纳米纤维暴露在紫外线下再一次进行反应时，只有分布在纤维表面的银被紫外光还原为agnps，而被包裹的未完全反应的银则与sf/gt相互作用转化为ag2o。因而，xrd谱图不仅证实了agnps的存在，还从侧面说明抗菌剂在纤维中的存在形式以及分布情况。

在场发射扫描电镜下对样品s06结构进行观察，如图2所示。图2(a)清晰地展示了单根纤维的形貌，由比例尺可知，该纤维的直径在500nm左右。点状阴影为均匀分散在纤维上的agnps，粒径在9～25nm之间。在不发生团聚的情况下，抗菌剂的颗粒越小，比表面积越大，当分散程度较高时，更有利于抗菌剂的扩散，提高抗菌剂与细菌的有效接触面积。图2(b)是该区域内某个agnp放大后的hrtem图像，由比例尺可知该颗粒的粒径约为22nm。放大后的颗粒晶格条纹清晰，经测量其晶面间距为0.24nm，与xrd标准pdf卡片相对比，说明该agnp为面心立方(fcc)结构，暴露晶面为(111)晶面。

图3为ag–sf/gt纤维的抗菌效果图。图3(a)、(b)利用琼脂平面皿扩散法对ag-sf/gt复合纳米纤维的抗菌效果进行表征，其中(a)为s.aureus，(b)为e.coli，图3(c)对纤维的抑菌带大小进行了统计。可以看到在未负载ag时，sf/gt纤维对两种细菌均无明显抗菌效果，材料周边并未出现清晰的抑菌带。而当负载agnps后，纤维毡周边出现了清晰的抑菌带，且随着银含量的增加，复合纤维膜的抗菌能力增强。几种材料的抑菌带均大于1mm，且无细菌繁殖，说明材料抗菌效果好。而当银含量增加到0.8wt.%时，其抑菌效果略低于0.6wt.%时的纤维膜。这可能是因为当抗菌剂含量过高时，抗菌剂在纤维中发生聚集，分散效果下降，导致比表面积降低。当抑菌剂与细菌接触时，暴露的有效抗菌面积减小，因而需要控制抗菌剂的含量来保证抗菌效果。材料对两种细菌的抑菌圈统计结果如图3(c)，可以发现纤维对s.aureus的抗菌性能略高于e.coli，这种差别是由革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌细胞外膜的多样性造成的。有文献研究表明，革兰氏阴性菌具有更加复杂且高度不对称的细胞壁结构，因而与革兰氏阳性菌相比，革兰氏阴性菌具有更强大的生命力。革兰氏阴性菌的细胞壁外壁由脂多糖、脂双分子层和脂蛋白组成，内壁由与细胞膜相连的肽聚糖组成，因而其细胞壁构成了对抗菌物质的阻碍更强的强大屏障，可以阻碍抑菌物质进入细胞质乃至破坏遗传物质。图3(d)–(f)是利用振荡法评价s04复合纤维对e.coli生长繁殖情况的影响。图3(d)为“0”接触对照实验，通过比浊法判断，其菌落数约为1.17×104cfu•ml-1；图3(e)为加入未负载agnps的sf/gt纤维培养后细菌的繁殖情况，以“0”接触培养皿菌落数为参考，可知该试样的菌落数约为1.16×104cfu•ml-1。参考国标gb/t21510-2008实验要求，此次实验有效。可以发现，当ag添加量为0.4wt.%，培养皿中已几乎无菌落存在，通过公式进行计算，此时复合纤维的抗菌率已高达99.99%。

实施例2：

分别称取3.000g的明胶、0.41g氯金酸和1.000g的丝素蛋白置于烧杯，缓慢滴加7.5ml的甲酸，在35℃下恒温水浴搅拌至透明均匀且具有一定黏度的溶液，在正负极电压分别为-10kv和+12.5kv，推注速度0.15mm·min-1，针头与接收板间纺丝距离为20cm，针头左右平移距离为15mm、平移速度200mm·s-1的纺丝条件下得到纤维膜。薄膜在60℃真空干燥箱内整夜以去除多余水分和残留溶剂，之后转移至160℃真空干燥箱中保温2h，对纤维膜进行热处理。并通过水蒸气透过测试和抗菌性能试验对其相关性能进行表征。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。